ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2016 года по МПК G01C3/08 G01S17/08 

Изобретение относится к техническим средствам измерения расстояния до объектов на местности с использованием лазерного излучения.

Известны лазерные импульсные дальномеры, рассмотренные в книге: Бокшанский В.К., Бондаренко Д.А., Вязовых М.В.и др. Лазерные приборы и методы измерения дальности. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012, принцип действия которых основан на измерении интервала времени между моментом зондирующего лазерного импульса и моментом приема излучения, отраженного от объекта. На странице 22 книги отмечено, что для получения достоверного результата необходимо, чтобы линейные размеры лазерного пятна на объекте были меньше линейных размеров объекта. В противном случае, что наиболее вероятно при измерении расстояния до малоразмерных объектов с помощью дальномеров на основе импульсных полупроводниковых лазеров, могут возникнуть отражения лазерного излучения от посторонних предметов, влияющие на результат измерения. Для уменьшения расходимости пучка излучения импульсного полупроводникового лазера предложены различные устройства, например рассмотренное в патенте РФ на изобретение №2481605, МПК G02B 27/00, G02B 27/09, дата публикации 10.05.2013, но подобные технические решения существенно усложняют оптическую систему лазерного дальномера.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является лазерный дальномер по патенту РФ на изобретение №2343413, МПК G03C, дата публикации 10.01.2009. Лазерный дальномер содержит два импульсных полупроводниковых лазера; светоделитель, на выходе которого расположена формирующая оптическая система; генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов, а выход счетчика импульсов - со считывающим устройством с индикатором; ключевую схему, вход которой связан с внешним сигналом измерения дальности, а выход - с одним из импульсных полупроводниковых лазеров через первую линию задержки, выход первой линии задержки связан с входом СТАРТ счетчика импульсов; приемную оптическую систему, на выходе которой установлен фотоприемник, электрический выход которого подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения, выход схемы совпадения подключен к входу СТОП счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково. Недостатком лазерного дальномера является применение двух импульсных полупроводниковых лазеров, что усложняет конструкцию устройства и технологический процесс его настройки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационных характеристик.

Технический результат заключается в снижении стоимости лазерного дальномера и трудоемкости его настройки.

Указанный технический результат достигается с помощью лазерного дальномера, содержащего импульсный полупроводниковый лазер, на выходе которого расположена формирующая оптическая система; генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов, а выход счетчика импульсов - со считывающим устройством с индикатором; ключевую схему, вход которой связан с внешним сигналом измерения дальности, а выход - с импульсным полупроводниковым лазером через первую линию задержки, кроме того, внешний сигнал измерения дальности связан с входом СБРОС счетчика импульсов, второй вход схемы совпадения подключен к выходу второй линии задержки, выход первой линии задержки связан с входом СТАРТ счетчика импульсов; приемную оптическую систему, на выходе которой установлен фотоприемник, электрический выход которого подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения, выход схемы совпадения подключен к входу СТОП счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково, в отличие от известного, после первой линии задержки дополнительно введен сумматор, а за формирующей оптической системой - устройство поворота изображения, обеспечивающее поворот изображения излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поочередно будут сформированы две плоские фигуры, симметричные относительно центра, причем границы каждой фигуры образованы овалом, большие оси симметрии двух фигур перпендикулярны, электрический вход импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу сумматора, два входа сумматора подключены соответственно к выходу первой линии задержки и выходу ключевой схемы, вход первой линии задержки подключен к выходу ключевой схемы, а выход устройства поворота связан со вторым входом ключевой схемы.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства.

Фиг. 2 иллюстрирует сечение пучка лазерного излучения в плоскости, перпендикулярной линии визирования, в районе объекта, до которого измеряется расстояние.

На фиг. 3 показаны эпюры импульсных последовательностей на функциональных элементах устройства.

Лазерный дальномер (фиг. 1) содержит импульсный полупроводниковый лазер 1 с формирующей оптической системой 2, последовательно с которой размещено устройство поворота изображения 3, состоящее из призмы 4, датчика угла 5 и электропривода 6. Электрический вход импульсного полупроводникового лазера 1 подключен к выходу сумматора 7. Два входа сумматора 7 подключены к выходу первой линии задержки 8 и к выходу ключевой схемы 9. Выход генератора тактовых импульсов 10 присоединен к входу ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов 11. Вход первой линии задержки 8 подключен к выходу ключевой схемы 9, выход первой линии задержки 8 подключен к входу СТАРТ счетчика импульсов 11. Кроме входа СТАРТ и ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчик импульсов 11 имеет еще два входа, СБРОС, СТОП и один выход КОЛИЧЕСТВО ИМПУЛЬСОВ. На первый вход ключевой схемы 9 поступает сигнал измерения дальности, на второй - сигнал с датчика угла 5. Время задержки импульсов в первой линии задержки 8 и второй линии задержки 14 одинаково. Выход КОЛИЧЕСТВО ИМПУЛЬСОВ счетчика импульсов 11 подключен к входу считывающего устройства 12. Выход схемы совпадения 13 подключен к входу СТОП счетчика импульсов 11. Второй вход схемы совпадения 13 подключен к выходу второй линии задержки 14. К входу второй линии задержки 14 и к первому входу схемы совпадения 13 подключен электрический выход фотоприемника 15, установленного последовательно с приемной оптической системой 16.

Излучающая площадка импульсного полупроводникового лазера 1 размещена в фокальной плоскости формирующей оптической системы 2. На фиг. 2 в плоскости, перпендикулярной линии визирования, в районе малоразмерного объекта 17, до которого измеряется расстояние, поперечное сечение пучка излучения 18 от импульсного полупроводникового лазера показано в виде плоской фигуры, границы которой представляют, в общем случае, овал. При повороте призмы 4 на определенный угол вокруг оптической оси формирующей оптической системы 2 поперечное сечение пучка излучения займет позицию, обозначенную 19. Также изображен предмет 20, расположенный позади объекта 17, до которого измеряется расстояние.

Все элементы, входящие в лазерный дальномер, являются известными. В качестве импульсного полупроводникового лазера 1 может быть использован лазерный диод, например типа PGEW1S09 фирмы PerkinElmer, в качестве фотоприемника 15 - любой высокочувствительный фотодиод, например фотодиод С30724 фирмы EG&G Canada. Формирующая оптическая система 2 и приемная оптическая система 16 могут быть выполнены как линзовые объективы.

Устройство поворота изображения 3 может быть выполнено на основе призмы Дове (условное обозначение АР-90°) 4, вращающейся вокруг оптической оси формирующей оптической системы 2 с помощью электромеханического привода 6 (электродвигателя с редуктором), датчик угла 5 - контактное устройство, замыкающееся в момент поворота призмы 4 на угол, при котором сечение пучка излучения будет находиться в позиции 18 (фиг. 2). В общем случае устройство поворота изображения может быть реализовано другими техническими средствами, что не принципиально.

Сумматор 7, первая линия задержки 8, ключевая схема 9, счетчик импульсов 11 генератор тактовых импульсов 10, вторая линия задержки 14, схема совпадения 13 - типовые электронные узлы, которые могут быть реализованы на стандартной электронной элементной базе. Считывающее устройство 12 может представлять собой преобразователь количества электрических импульсов в визуальную информацию, например цифровое табло.

Устройство работает следующим образом. Призма 4 приводится во вращение электромеханическим приводом 6. Генератор тактовых импульсов 10 (фиг. 1) вырабатывает последовательность импульсов 21, показанную на фиг. 3. Внешний сигнал измерения дальности с пульта управления (на фиг. 1 не показан), сбрасывает предыдущее показание счетчика импульсов 11, подается на ключевую схему 9 и готовит ее к открытию. На второй вход ключевой схемы 9 поступает сигнал с датчика угла 5. В момент наличия сигнала с датчика угла 5 ключевая схема 9 формирует импульс 22, поступающий на первую линию задержки 8 и один из входов сумматора 7. Задержанный на время τ₁ импульс 23 с первой линии задержки 8 подается на второй вход сумматора 7, на выходе которого формируются импульсы 22 и 23. Импульс с выхода первой линии задержки 8 запускает счетчик импульсов 11, формирующий последовательность импульсов 24. Импульсный полупроводниковый лазер 1 излучает оптические импульсы, которые проходят через формирующую оптическую систему 2; далее пучок оптического излучения проходит через призму 4 и направляется в сторону объекта 17, до которого измеряется расстояние, причем центр пучка совмещается с центром объекта 17. При подаче на импульсный полупроводниковый лазер 1 электрического импульса 22 пучок лазерного излучения будет находиться в позиции 18. Время задержки импульса в первой линии задержки 8 равно времени, за которое призма 4 поворачивается на такой угол, чтобы изображение излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера повернулось на угол 90° (при использовании призмы Дове данный угол составит 45°). При поступлении на импульсный полупроводниковый лазер 1 электрического импульса 23 импульсный полупроводниковый лазер 1 излучит второй оптический импульс, при этом пучок излучения будет находиться в позиции 19. Оптическое излучение импульсного полупроводникового лазера 1 диффузно отразится как от объекта 17, до которого измеряется расстояние, так и от предмета 20. Часть отраженного излучения проходит через приемную оптическую систему 16 и поступает на оптический вход фотоприемника 15. Импульсы 25 и 27 на электрическом выходе фотоприемника 15 обусловлены отражениями излучения импульсного полупроводникового лазера 1 от объекта 17, до которого измеряется расстояние, при поступлении на импульсный полупроводниковый лазер 1 соответственно импульсов 22 и 23, импульсы 26 обусловлен отражением излучения от далее расположенного предмета 21. На выходе второй линии задержки 14 будут сформированы импульсы 25а и 26а, задержанные относительно импульсов 25 и 26 на время τ₁. На выходе схемы совпадения 13 возникнет импульс 27. Этот импульс остановит счетчик импульсов 11, на выходе которого формируется число "n", пропорциональное измеренной дальности и поступающее на считывающее устройство 12. В результате на индикаторе считывающего устройства 12 отобразится значение измеренной дальности.

Как следует из приведенного выше описания работы лазерного дальномера, в рассматриваемом устройстве наличие помех (отражений от посторонних предметов) не приведет к ошибкам измерения дальности при использовании одного дорогостоящего функционального элемента (импульсного полупроводникового лазера), вместо двух, примененных в наиболее близком аналоге. Отсутствует необходимость производить трудоемкие технологические операции по совмещению пучков излучения двух импульсных полупроводниковых лазеров.

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечивается снижение стоимости лазерного дальномера и трудоемкость его настройки.

Лазерный дальномер содержит импульсный полупроводниковый лазер, оптическую систему, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, устройство с индикатором, ключевую схему, фотоприемник, линию задержки, схему совпадения. Также дальномер содержит сумматор и устройство поворота изображения, обеспечивающее поворот изображения - призма Дове - излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поочередно будут сформированы две плоские фигуры, симметричные относительно центра, причем границы каждой фигуры образованы овалом, большие оси симметрии двух фигур перпендикулярны. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 ил.

Лазерный дальномер, содержащий импульсный полупроводниковый лазер, на выходе которого расположена формирующая оптическая система; генератор тактовых импульсов, выход которого связан с входом ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ счетчика импульсов, а выход счетчика импульсов - со считывающим устройством с индикатором, ключевую схему, вход которой связан с внешним сигналом измерения дальности, а выход - с импульсным полупроводниковым лазером через первую линию задержки, кроме того, внешний сигнал измерения дальности связан с входом СБРОС счетчика импульсов, второй вход схемы совпадения подключен к выходу второй линии задержки, выход первой линии задержки связан с входом СТАРТ счетчика импульсов, приемную оптическую систему, на выходе которой установлен фотоприемник, электрический выход которого подключен к входу второй линии задержки и к первому входу схемы совпадения, выход схемы совпадения подключен к входу СТОП счетчика импульсов, причем время задержки импульсов в первой и второй линиях задержки одинаково, отличающийся тем, что после первой линии задержки дополнительно введен сумматор, а за формирующей оптической системой - устройство поворота изображения, обеспечивающее поворот изображения излучающей площадки импульсного полупроводникового лазера таким образом, что в плоскости, перпендикулярной линии визирования, поочередно будут сформированы две плоские фигуры, симметричные относительно центра, причем границы каждой фигуры образованы овалом, большие оси симметрии двух фигур перпендикулярны, электрический вход импульсного полупроводникового лазера подключен к выходу сумматора, два входа сумматора подключены соответственно к выходу первой линии задержки и выходу ключевой схемы, вход первой линии задержки подключен к выходу ключевой схемы, а выход устройства поворота связан со вторым входом ключевой схемы.